張嘉豪 馬姣陽,2 常 健 文嘉偉 王博超 鄭曉明

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,河北 唐山 063210;2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室,河北 唐山 063210)

溜井是地下礦山生產(chǎn)轉(zhuǎn)運礦石的主要通道,生產(chǎn)過程中由于井內(nèi)物料流動中斷造成結(jié)拱的現(xiàn)象頻繁發(fā)生,影響了礦山生產(chǎn)的正常運行,嚴(yán)重時會導(dǎo)致生產(chǎn)終止[1-3]。為解決這一問題,諸多學(xué)者進行了大量研究。在分析結(jié)拱成因方面,張寶金等[4]利用相似模擬實驗,結(jié)合極限平衡法分析了礦石結(jié)拱機理;高峰旭等[5]結(jié)合礦石水分、性質(zhì)、粒度等因素綜合分析了礦石結(jié)拱的機理;程漢臣等[6]從工程設(shè)計、施工質(zhì)量和生產(chǎn)管理角度分析了礦石結(jié)拱的成因;舒亮等[7]從卸礦沖擊夯實和放礦管理方面分析了結(jié)拱成因。在處理結(jié)拱方面,趙元培等[8]在水壓爆破理論基礎(chǔ)上,改進了疏通技術(shù),處理了溜井結(jié)拱問題;劉振[9]采用分段式通堵的方式處理溜井結(jié)拱問題;肖文濤等[10]用擴壺爆破技術(shù)處理溜井結(jié)拱問題;龔開福[11]和任曉軍[12]采用鉆孔爆破技術(shù)處理了溜井結(jié)拱問題;吳波等[13]用竹竿爆破和氣球爆破結(jié)合的方法處理了溜井結(jié)拱問題。由此可見,溜井結(jié)拱成因分析及結(jié)拱疏通工藝技術(shù)已較為成熟,但在實際工程中,常出現(xiàn)由于疏通工藝設(shè)計不合適,致使需要反復(fù)處理較難疏通的結(jié)拱[10]或采用較高能耗的工藝處理極易疏通的結(jié)拱現(xiàn)象。從節(jié)能與安全方面考慮,這不僅造成了大量的資源浪費,也可能導(dǎo)致井壁失穩(wěn),致使礦山生產(chǎn)成本大幅增加?；诖?從能量角度量化界定結(jié)拱的穩(wěn)定性,能為經(jīng)濟高效處理溜井結(jié)拱問題及疏通結(jié)拱工藝的選擇、設(shè)計提供一定的理論參考,具有重大的工程實際意義。

礦石濕度、礦石粒徑、溜井角度、料位高度是造成礦石結(jié)拱的4 個主要因素[14-16],相似模擬實驗在溜井相關(guān)研究中被廣泛應(yīng)用[17-18],同時正交實驗法可以有效降低工作量[19]?；诖?本文采用定量分析法,從結(jié)拱被完全破壞所需能量的角度研究溜井結(jié)拱的穩(wěn)定性,構(gòu)建了結(jié)拱能和結(jié)拱能測定原理,并用亞克力材料制作了結(jié)拱能測定實驗?zāi)M設(shè)備,以粒徑0～10 mm、濕度1%～3%的礦石為實驗材料,結(jié)合溜井角度、料位高度擬定正交實驗方案,進行溜井結(jié)拱穩(wěn)定性相似物理模擬實驗研究。

1 結(jié)拱能理論及實驗?zāi)M設(shè)備

1.1 結(jié)拱能理論及測定原理

溜井放礦過程中的結(jié)拱被完全破壞所需的能量為結(jié)拱能。結(jié)拱能越大則拱越難被破壞,拱的穩(wěn)定性越大。為了更好地定量化結(jié)拱能,采用單擺的方式,選擇合適的金屬小球撞擊結(jié)拱處外壁,每次撞擊的能量相同,直至結(jié)拱被破壞,通過定量疊加能量以間接測定結(jié)拱能,其構(gòu)建原理是將金屬小球的重力勢能轉(zhuǎn)化為對結(jié)拱位置施加的破壞能量。

結(jié)拱能測定原理:進行撞擊前,調(diào)整自然垂落的金屬小球位置,使其底部與結(jié)拱位置處于同一水平。撞擊過程中,控制金屬小球單次僅撞擊結(jié)拱處的外壁一次,通過若干次撞擊,直至結(jié)拱被完全破壞時停止撞擊。撞擊結(jié)束后,記錄金屬小球撞擊次數(shù),通過疊加的方式計算結(jié)拱能。不同實驗組間的結(jié)拱能測定中,單擺金屬小球的規(guī)格、擺長、擺角、撞擊溜井方位均保持一致。其結(jié)拱能測定原理如圖1 所示。

圖1 結(jié)拱能測定原理Fig.1 Principal of arch energy measurement

1.2 結(jié)拱能理論計算公式

在金屬小球間接測定結(jié)拱能過程中,金屬小球從釋放到撞擊前有動能損失,撞擊過程中有內(nèi)能損失,撞擊后有動能損失,由此結(jié)拱能測定過程中的能量損失不可忽視。金屬小球單次僅撞擊一次,相較于與撞擊前后,撞擊過程中的內(nèi)能損失很小,故不考慮內(nèi)能損失。撞擊后的動能一部分轉(zhuǎn)化為金屬小球重力勢能,一部分在回彈上升過程中損失。結(jié)拱能理論計算:

式中,EY為結(jié)拱能,J;N為小球撞擊次數(shù);EZ為金屬小球釋放時的總能量,J;ES為金屬小球從釋放到撞擊前損失的能量,J;ES1為金屬小球回彈后轉(zhuǎn)化為重力勢能的能量,J;ES2為金屬小球從撞擊后回彈至最高點損失的能量,J。

1.3 結(jié)拱能測定模擬實驗設(shè)備

依據(jù)結(jié)拱能測定原理圖1 和溜井在礦山中的實際尺寸,利用亞克力板按1 ∶100 比例設(shè)計制作結(jié)拱能測定模擬實驗設(shè)備。用尼龍塑料扎帶將方形溜井管按設(shè)計角度固定在背景板后的金屬架上,以保證金屬小球撞擊過程中其狀態(tài)不發(fā)生變化。

金屬小球懸掛于掛鉤上,金屬小球可通過掛鉤在背景板上自由調(diào)整位置,將金屬小球懸掛于方形溜井管左側(cè),通過撞擊左側(cè)外壁對結(jié)拱處施加能量,實驗?zāi)M設(shè)備如圖2 所示。

圖2 結(jié)拱能測定模擬實驗設(shè)備Fig.2 Experimental equipment for simulation of arch energy measurement

方形溜井管尺寸長×寬×高=3 cm×3 cm×160 cm,放礦口尺寸長×寬=2.5 cm×2.5 cm,位于底部中間位置。結(jié)拱穩(wěn)定性模擬實驗設(shè)備的最大模擬高度為150 cm,模擬角度范圍為70°～90°。

2 結(jié)拱能測定方案及參數(shù)確定

2.1 基于正交實驗的結(jié)拱能測定

用網(wǎng)篩對不同粒徑的干燥礦石進行篩選分組,根據(jù)濕度需要,用噴水壺對礦石進行噴灑處理。用處理后粒徑1～10 mm、濕度1%～3%的礦石作為實驗的原料,結(jié)合50～150 cm 的料位高度、70°～90°的溜井角度確定四因素五水平正交實驗方案,L25(54)正交實驗因素水平如表1 所示。

溜井結(jié)拱穩(wěn)定性相似物理模擬實驗步驟:依據(jù)正交實驗表1 調(diào)整方形溜井管的角度,從其上方放入方案組對應(yīng)粒徑和濕度的礦石至設(shè)計料位高度。從下方溜放口進行放礦,在放礦過程中出現(xiàn)結(jié)拱時,停止放礦并用單擺小球?qū)Y(jié)拱處進行撞擊,記錄撞擊次數(shù)。重復(fù)上述操作至放礦結(jié)束。為了減小偶然誤差,25 組實驗每組做8 次重復(fù)實驗。

2.2 結(jié)拱能參數(shù)確定

2.2.1 單擺小球參數(shù)確定

為了能有效計算結(jié)拱能,增加各實驗組間的結(jié)拱能區(qū)分度,降低實驗誤差,選用規(guī)格為φ11 mm、6.6 g和φ18 mm、24 g 的2 個小球,分別做擺長為6、8、10 cm,擺角30°、60°、90°的撞擊預(yù)實驗,通過撞擊次數(shù)和效果可知質(zhì)量為6.6 g,擺長為8 cm,擺角為90°條件下預(yù)實驗效果最好,可操作性最高。

2.2.2 結(jié)拱能測定中損失能量的參數(shù)確定

金屬小球從釋放到撞擊前損失的能量占初始總能量的6.5%。金屬小球撞擊后的能量損失可通過實驗進行測定。考慮到不同角度及不同孔隙率會對回彈損失的能量產(chǎn)生一定影響,為此通過攝影的方式記錄空管時傾角為70°～90°和傾角為80°時不同粒徑實管對金屬小球的回彈過程。實驗過程中攝影位置固定,每組進行3 次重復(fù)實驗,對記錄的視頻進行逐幀分析,將小球初次回彈到最高點位置的圖片導(dǎo)入Auto CAD 進行回彈高度測量。將測定的實驗數(shù)據(jù)進行均值處理,其實驗結(jié)果分別如表2 和表3 所示。

表3 不同粒徑實管對應(yīng)的回彈高度Table 3 The corresponding rebound heights of blind pipe of different particle sizes

由表2 分析,溜井角度在70°～80°范圍內(nèi),回彈高度隨角度增大先逐漸升高再降低;在80°～90°范圍內(nèi),回彈高度隨角度增大逐漸升高,且在不同溜井角度下回彈高度的比為1.02 ∶1.17 ∶1.00 ∶1.11 ∶1.16。

由表3 分析,回彈高度隨礦石粒徑變化的關(guān)系式是斜率0.000 5,截距0.020 1 的線性關(guān)系,其R2=0.904 6,線性擬合效果尚佳。

為了減少實驗的必然誤差,對結(jié)拱概率較高的2種礦石粒徑[17]進行結(jié)拱位置撞擊回彈高度測量實驗,溜井模擬角度80°,礦石粒徑選擇6 ～8 mm 和8 ～10 mm。實驗結(jié)果如表4 所示。

表4 撞擊結(jié)拱位置的回彈高度Table 4 Rebound height at the location of the impact arch

結(jié)合表3 和表4 計算,撞擊結(jié)拱處小球的初次回彈高度約為撞擊實管回彈高度的0.87 倍,同時小球在回彈的過程中有6.5%的能量損失[22]。

綜合上述測定參數(shù)和式(1)得到不同角度、不同粒徑條件下結(jié)拱能數(shù)值計算式:

式中,m為小球質(zhì)量;g為重力加速度;L為擺長;x為粒徑;t為不同溜井角度對應(yīng)的回彈高度比。

3 溜井結(jié)拱穩(wěn)定性分析

3.1 基于正交實驗的結(jié)拱能測定結(jié)果

將具有極大偏差的數(shù)據(jù)單獨分析處理,去除極大偏差的數(shù)據(jù)進行均值處理得到數(shù)據(jù)結(jié)果,根據(jù)式(2)計算各實驗組的結(jié)拱能。

原始數(shù)據(jù)中,極大偏差的異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)在實驗5、15、25 三組,出現(xiàn)極大偏差的數(shù)據(jù)均出現(xiàn)在礦石粒徑為8～10 mm 的條件下,且出現(xiàn)概率為2.41%,為小概率事件,實驗測定結(jié)拱能約為0.113 J。而這一小概率事件也可說明,在礦山實際生產(chǎn)中要嚴(yán)格控制通過溜井的礦石粒徑,尤其是山坡露天礦涉及的溜井或地面碎石充填溜井使用過程中,以防止極穩(wěn)定結(jié)拱的產(chǎn)生增加疏通難度。

去除異常數(shù)據(jù)得到的正交實驗結(jié)果如表5 所示。

表5 正交實驗結(jié)果Table 5 Orthogonal experiment results

3.2 結(jié)拱能影響因素分析

實驗測定結(jié)拱能數(shù)值過小,影響多因素方差分析,因此對正交實驗表中測定的結(jié)拱能進行歸一化處理,將進行歸一化處理后的結(jié)果進行多因素方差分析,結(jié)果見表6。多因素方差分析結(jié)果中R2=0.906,調(diào)整后的R2=0.717＞0.5,均接近1,模型擬合度很好,模型合適。由表6 可知各因素對溜井結(jié)拱穩(wěn)定性的影響從大到小依次為礦石粒徑、礦石濕度、料位高度、溜井角度。

表6 多因素方差分析結(jié)果Table 6 Multivariate ANOVA results

礦石粒徑的F值為14.136,P值為0.001,說明礦石粒徑對結(jié)拱穩(wěn)定性具有顯著性影響,起最主要的影響作用。礦石濕度、溜井角度、料位高度均對結(jié)拱穩(wěn)定性沒有顯著影響。

3.3 結(jié)拱穩(wěn)定性分級

礦石粒徑是影響結(jié)拱穩(wěn)定性的主要因素,在綜合礦石濕度、溜井角度、料位高度3 個非顯著因素影響下,從表5 可知不同實驗組中礦石粒徑對應(yīng)測定的結(jié)拱能數(shù)值,將同一礦石粒徑條件下測定的不同結(jié)拱能進行整合劃分,確定不同粒徑條件下對應(yīng)的結(jié)拱能區(qū)間。為了直觀地對結(jié)拱穩(wěn)定性進行評級,作結(jié)拱能和礦石粒徑方差對比折線圖,對結(jié)拱能進行區(qū)間劃分,可以直觀看出礦石粒徑在0 ～2 mm 條件下結(jié)拱能最大,在4～6 mm 條件下結(jié)拱能最小。由劃分的結(jié)拱能區(qū)間,依據(jù)結(jié)拱能越大結(jié)拱越穩(wěn)定的原則,將不同粒徑條件下對應(yīng)結(jié)拱的穩(wěn)定性依次評定為不穩(wěn)定、較穩(wěn)定、穩(wěn)定、極穩(wěn)定,結(jié)果見圖3。

圖3 結(jié)拱穩(wěn)定性劃分及評定Fig.3 Arch stability classification and evaluation

由圖3 可見,不同礦石粒徑條件下對應(yīng)的結(jié)拱能區(qū)間相互獨立且區(qū)分明顯。0 ～2 mm 粒徑條件下結(jié)拱能區(qū)間為0.012 69～0.017 89 J,為極穩(wěn)定結(jié)拱;4～6 mm 粒徑條件下結(jié)拱能區(qū)間為0.003 27 ～0.003 38 J,為不穩(wěn)定結(jié)拱;6～8 mm 粒徑條件下結(jié)拱能區(qū)間為0.004 01～0.004 82 J,為較穩(wěn)定結(jié)拱;8 ～10 mm 粒徑條件下結(jié)拱能區(qū)間為0.005 25 ～0.009 43 J,為穩(wěn)定結(jié)拱。礦石粒徑在4 ～6 mm 和6 ～8 mm 條件下結(jié)拱能區(qū)間較小,即結(jié)拱的穩(wěn)定性波動較小,同時結(jié)拱能也較小;礦石粒徑在0 ～2 mm 和8 ～10 mm 條件下結(jié)拱能區(qū)間較大,即結(jié)拱的穩(wěn)定性波動較大,同時其結(jié)拱能也較大。由此可見,小粒徑粘結(jié)造成的平衡懸拱和大粒徑咬合擠壓造成的平衡懸拱較難處理。

4 結(jié) 論

(1)從結(jié)拱被完全破壞所需能量的角度構(gòu)建了結(jié)拱能理論,并設(shè)計制作了通過單擺小球疊加能量以破壞結(jié)拱間接測定結(jié)拱能的裝置,可為溜井結(jié)拱穩(wěn)定性定量化分析提供理論依據(jù)。

(2)多因素方差分析表明,礦石粒徑的P值為0.001,對結(jié)拱穩(wěn)定性有顯著性影響,在礦石粒徑為8～10 mm 條件下有2.41%的小概率出現(xiàn)極難破壞的強結(jié)拱,結(jié)拱能約為正常條件下的15 倍,因此,在實際生產(chǎn)中要嚴(yán)格控制溜入溜井中礦石粒徑。

(3)綜合考慮3 個非顯著性因素的影響,從顯著影響因素礦石粒徑角度分析,利用結(jié)拱能和礦石粒徑方差對比折線圖劃分結(jié)拱能區(qū)間,依據(jù)結(jié)拱能越大結(jié)拱越穩(wěn)定的原則,分別將4 ～6、6 ～8、8 ～10、0 ～2 mm礦石粒徑造成的結(jié)拱穩(wěn)定性依次評定為不穩(wěn)定、較穩(wěn)定、穩(wěn)定、極穩(wěn)定。依據(jù)劃分的結(jié)拱能區(qū)間,4 ～6 mm礦石粒徑造成的結(jié)拱穩(wěn)定性波動范圍最小,為0.000 11 J;0～2 mm 礦石粒徑造成的結(jié)拱穩(wěn)定性波動范圍最大,為0.005 2 J。